ビット演算

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ビット演算（ビットえんざん、bitwise operation: 直訳すると「ビット毎操作」）とは、固定長のワードなどといった「ビットのカタマリ」（コンピュータの数値表現なども参照）に対して、各々のビット全てに対する論理演算をいっぺんに行う演算操作である。

実装の観点からは、現在一般的な二進法（ディジタル）式の電子式コンピュータでは、加減算ではビットあたり数個程度の論理ゲートに加え多少複雑なキャリー伝搬の処理が、乗除算では多段に渡る処理が必要であるのに対し、ビット演算は1個か高々2個の論理ゲートで行えるため、多くの場合、最短サイクルしか必要としない。そのことから、高性能なプログラムを実現するための機械語コーディングではビット演算の使いこなしは重要なテクニックである[1]。

ビットマスクを利用したフラグ管理などに用いられるほか、Bitapアルゴリズムなど、各種のビット並列アルゴリズムの実装にも使われる。ビット並列アルゴリズムは特に、NEON（ARM）あるいはSSE/AVX（x86）などのSIMD拡張命令をサポートするCPUやGPUといった、容易に入手可能なハードウェアにおける高効率プログラミングの鍵である。

ビット演算子

（bitwise operator）

NOT

ビット単位NOTあるいは補数とは論理否定を各ビットに対して行う単項演算。0 は 1 になり、1 は 0 になる。 

NOT 0111
  = 1000

C言語やC++では、NOT演算子は "~" （チルダ）である。 

x = ~y;

この例では、x に "NOT y" の結果を格納する。これは、Cおよび C++の論理「否定」演算子 "!" （エクスクラメーションマーク）とは異なる。こちらは与えられた数値全体をひとつのブーリアンとして扱う。 

x = !y;

この例では、x に y が "false" であれば "true" を表すブーリアン値を格納し、y が "true" であれば "false" を格納する。CやC++では、数値はゼロでないとき "true" を示すとされる。論理「否定」はビットレベルの演算ではないので、一般的にはビット演算とは考えられない。

ビット単位NOTは二進数値の1の補数を作るのに使える。そして2の補数を作るときの途中の段階にも使われる。

OR

ビット単位ORは、ふたつの同じ長さのビットパターンを入力とし、同じ位置のビット毎に論理的ORを行って同じ長さのビットパターンを出力する操作である。各ビット位置で、入力のふたつのビットのどちらかでも 1 であれば、出力ビットは 1 となる。 

   0101
OR 0011
 = 0111

C/C++では、ビット単位OR演算子は "|" （縦棒）で表される。 

x = y | z;

この例では、"y OR z" の結果を x に格納する。これは、C/C++の論理「和」演算子 "||" （ふたつの縦棒）とは異なる。こちらは、オペランドを論理値として取り扱い、結果を "true" か "false" とする。

ビット単位ORは、ビット列がフラグ列として扱われるときによく使われる。つまり、各ビットが個別にブーリアン値を表している場合である。ある二進数値とひとつ以上の1を含むビット列とをビット単位ORを行うと、後者のビット列で 1 となっている位置が結果として出てくるビット列でも1となる。 

0010

このビット列は4つのフラグを表しているものとみなす。1番目、2番目、4番目は (0) にセットされていて、3番目が (1) にセットされている。1番目のフラグをセットするには、このビット列にビット単位ORを行えばよい。そのときのもう一方のビット列は1番目のビットだけを1にセットしておく。 

   0010
OR 1000
 = 1010

このテクニックはメモリが少ない環境向けのプログラムでよく使われる。ひとつのビットパターンで各種ステータスを一度に表現するのである。

また、MIPSアーキテクチャでは、命令セットを縮小するためにこれを使っている。MIPSではレジスタ間ロード(レジスタからレジスタへの値のコピー)命令がない。その代わりにゼロレジスタという常に内容がゼロで、何かを書き込んでも値が変わらないレジスタがある。そこで、レジスタ間ロードはビット単位OR命令を使って、ゼロレジスタとあるレジスタの ビット単位OR の結果を別のレジスタに格納することで実現される。

XOR

ビット単位XORは、ふたつの同じ長さのビットパターンを入力とし、同じ位置のビット毎に論理的XORを行って同じ長さのビットパターンを出力する操作である。各ビット位置で、入力するふたつのビットが違う値であれば、出力ビットは1となる。 

    0101
XOR 0011
  = 0110

C/C++では、ビット単位XOR演算子は "^" （サーカムフレックス）で表される。 

x = y ^ z;

この例では、"y XOR z" の結果を x に格納する。

アセンブリ言語プログラマはレジスタの内容をゼロにしたいときに XOR 操作を行う。多くのアーキテクチャでは、ゼロという値をロードしてレジスタに格納するよりもXORを行う方がCPUクロックサイクルを消費せず、また命令長も短いためメモリを節約できる[2]。同じ値をビット単位XORのふたつの入力として使うと、出力は常にゼロになる。つまり、同じレジスタを指定したXOR命令を実行して同じレジスタに戻すことでその内容をゼロにすることができる。もちろん、MIPSアーキテクチャの場合は入力としてゼロレジスタを使えば、ORでも XORでもANDでもADDでも結果をゼロにすることができる。

ビット単位XORはフラグの値を変更するときにも使われる。 

0010

このビットパターンで1番目のビットと3番目のビットを同時に変更したい場合、もうひとつのビットパターンで、その変えたい位置に1を置いておく。 

    0010
XOR 1010
  = 1000

このテクニックはビットパターンをブーリアン変数の並びとして扱うときに使われるだろう。

関連項目

AND

ビット単位ANDは、ふたつの同じ長さのビットパターンを入力とし、同じ位置のビット毎に論理的ANDを行って同じ長さのビットパターンを出力する操作である。各ビット位置で、入力するふたつのビットがどちらも1であれば、出力ビットは 1 となる。 

    0101
AND 0011
  = 0001

C/C++では、ビット単位AND演算子は "&" （アンパサンド）で表される。 

x = y & z;

この例では、"y AND z" の結果を x に格納する。これは、C/C++の論理「積」演算子 "&&" （ふたつのアンパサンド）とは異なる。こちらは、オペランドをブーリアン値として取り扱い、結果を "true" か "false" とする。

ビット単位ANDはビットマスク操作として使われることもある。これは、ビット列の一部を取り出すのに使われたり、ある特定のビットが1か0かを調べるのにも使われる。 

0101

この例で、二番目のビットが 1 かどうかを調べるには、ビット単位ANDに対して、その調べたいビット位置だけを1にしたビットパターンを入力する。 

    0101
AND 0010
  = 0000

この結果はゼロなので、二番目のビットは0であったことがわかる。このようなビット単位ANDの使い方はビットマスクと呼ばれる。このとき、関心のないビット位置は0にする。

シフト

シフト（シフト演算）はときにビット演算の一種とみなされる。というのは、それがビット列に対する操作だからである。それとは逆にシフトは数値全体に対するものでビット毎に操作するものではないという考え方もある。この操作では各桁を右か左に移動（右シフトまたは左シフト）させる。コンピュータのプロセッサ内のレジスタは固定のビット長を持っていて、数値を格納する。これに対するシフトはいくつかのビットがレジスタからはみ出すことを意味する。シフトにいろいろな種類があるのは、外から入ってくるビットと、はみ出すビットをどう扱うかが違うためである。

算術シフト

算術シフトでは、右シフトにおいて、最上位ビット（2の補数表現であれば符号ビット）は保存される。左シフトでは、空くビット位置には、ゼロが入る。このシフトではあふれたビットは単に消える（プロセッサの実装によってはフラグに入るものもある）。下記の例は 4ビットレジスタの場合である。 

  0111 LEFT-SHIFT
= 1110

  1011 RIGHT-SHIFT
= 1101

前者の例は、左端の0はあふれて消え、あらたな0が右端に入れられている。後者の例は、右端の1はあふれて消え、符号ビット1が左端にコピーされている。あふれたビットは、多くの場合キャリーフラグにセットされる。マルチプルシフトは、シングルシフトをくりかえしたものと同じ結果になる。 

  0111 LEFT-SHIFT-BY-TWO
= 1100

C/C++では、左シフトと右シフトは "<<" と ">>" で表される。シフトする幅は右オペランドにより指定できる。#注意事項も参照。 

x = y << 2;

この例では、y を2桁左に算術シフトした結果を x に格納する。

1ビットの左算術シフトは2倍するのと同じである。1ビットの右算術シフトは、値が非負であれば2で割ってあまりを捨てるのと同じである。

負の値を右に算術シフトした場合は、シフトしてあふれたビットが1なら（複数シフトの場合は、あふれたビットの中に1がある場合には）、結果に1を足せば、2または2のべきで割ってあまりを捨てるのと同じになる。

論理シフト

論理シフトでは、右シフトのときも空いたビットをゼロにする。他は算術シフトと同様である。したがって、論理シフトは符号無しの二進数を扱うのに適していて、算術シフトは2の補数表現の符号付き二進数を扱うのに適している。

(キャリーなし)ローテート

もうひとつのシフトとして循環シフトすなわちビット・ローテーションがある。これはビット列の左端と右端がつながっているように扱ってシフトするものである。シフト方向の端をあふれた桁は逆の端に置かれる。これは、存在するビットを残しておく必要があるとき、ビットの位置を変えるのに使われたりする。

キャリーつきローテート

キャリーつき右ローテート
キャリーつき左ローテート

こちらはローテート操作の際に、（キャリー）フラグを挟んで、ビット列の左端と右端がつながっているように扱う。フラグに最上位ビットのコピーを入れておけば算術シフトを、0を入れておけば論理シフトをシミュレートできることから、PICのようなマイクロコントローラではローテートとキャリー付きローテートだけを用意して、算術シフトや論理シフト命令は用意しないものもある。キャリー付きローテートは特にプロセッサのレジスタのビット幅より大きな数値のシフトを実現する場合に便利である。

その他

使用例

マシンは算術演算や論理演算をするのに十分な命令を持っているが、実際全ての演算はビット演算の組み合わせと何らかのゼロ判定機能があれば実現できる。例えば、下記の例はふたつの任意の整数 a と b の乗算をビットシフトと加算で実現する擬似コードである。 

c := 0
while b ≠ 0
    if b and 1 ≠ 0
        c := c + a
    shift a left by one
    shift b right by one
return c

注意事項

ビットシフトに対して右オペランド（シフト量）の値が負である場合、あるいは左オペランドの型のビット数を超える場合の規定は言語によって異なる（あるいは言語によって規定されておらず、処理系定義や未定義や未規定であったりする）。 Java[3]、.NET言語 (C#、VB.NETなど)、JavaScriptなどでは「左オペランドの型のビット数-1」のビット単位ANDのマスクを右オペランドにかける。これは最低でも1ビットは値を残すための配慮である。以下にC#の例を示す。 

class BitShift
{
    static void Main()
    {
        int i = 1; // 32 bits
        long l = 1; // 64 bits

        // output: 0x2 (33 & (32-1) = 1 なので 1 ビット左シフト)
        System.Console.WriteLine("0x{0:x}", i << 33);

        // output: 0x200000000 (33 & (64-1) = 33 なので 33 ビット左シフト)
        System.Console.WriteLine("0x{0:x}", l << 33);
    }
}

C/C++ の ISO の仕様では、このような場合の結果は未定義となっている。GCC や Visual C++ の実装においては、Warning が出るが、上記と同じ結果を返す。

脚注

  1. ^ 参考文献: 『ハッカーのたのしみ 本物のプログラマはいかにして問題を解くか』
  2. ^ Microsoft Visual C++など、C/C++でゼロを代入するコードを記述した場合、XOR命令を使用するよう最適化するコンパイラも存在する。
  3. ^ 15.19. Shift Operators - Java Language Specification

関連項目

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